Manufacturing of a Reluctance Actuator for Use as a Hearing Implant in the Middle Ear

authored by

Eileen Müller, Marco Adamscheck, Eike Christian Fischer, Anatoly Glukhovskoy, Maren S. Prediger, Folke Dencker, Marc Wurz

Abstract

Die Anzahl der Personen, die von einer Schwerhörigkeit betroffen sind, liegt weltweit bei etwa 328 Millionen [1]. Schwerhörigkeiten können in eine Schallleitungs- oder Schallempfindungsschwerhörigkeiten unterschieden werden. Bei einer Schallleitungsschwerhörigkeit liegt häufig eine Veränderung im Mittelohr wie eine Otosklerose oder der Verlust der Gehörknöchelchen durch ein Trauma zugrunde, sodass der Schall nicht ausreichend zum Innenohr transportiert wer-den kann. Das Innenohr ist hierbei noch voll funktionsfähig. Zur Behandlung einer Schallleitungsschwerhörigkeit sind konventionelle Hörgeräte nicht immer geeignet, sodass Mittelohrimplantate eingesetzt werden. Diese übertragen den Schall über das runde Fenster auf die Perilymphe der Cochlea, indem elektrische in mechanische Energie gewandelt wird. [2,3] Das Institut für Mikroproduktionstechnik hat hierfür bereits im Rahmen des Exzellenzclusters Hearing4all Untersuchungen zur Herstellung eines elektromagnetischen Mittelohraktors auf Grundlage des Balanced-Armature-Prinzips durchgeführt [4]. Für die Funktionstüchtigkeit des Mittelohraktors ist es essentiell, dass sich ein im Aktor be-findlicher Stößel alternierend bewegen kann, um die mechanische Anregung am runden Fenster erzeugen zu können. Da die erzeugten Auslenkungen bei dem Balanced-Armature- Prinzip nicht reproduzierbar hergestellt werden konnten, soll nun ein neues Konzept auf Grundlage der Reluktanz erprobt werden.
Da die Reluktanzkraft lediglich eine anziehende Kraft darstellt, muss der Stößel in zwei entgegengesetzte Richtungen gezogen werden, um den Ausgangszustand nach einer Auslenkung wieder zu erreichen. Daher werden wie in Abbildung 1 dargestellt zwei Spulen verwendet, die abwechselnd geschaltet werden können. Des Weiteren besteht der Aktor aus einem Stößel sowie einer Hülse und zwei Ringen. Diese Bauteile bestehen aus dem ferromagnetischen Material Per-menorm® 5000 H2. Die nicht-magnetische obere und untere Membran schließen den Aktor ab und dienen als Zentrie-rung und zur Führung des Stößels. Die Membranen selbst bestehen aus dem Polyimid LTC 9320 (Fujifilm Electronic Materials) auf einem Rahmen aus Durimide® 7020 (Fujifilm Electronic Materials). Die ferromagnetischen Bauteile bilden den magnetischen Kreis zur Führung des magnetischen Flusses. Der Luftspalt zwischen dem Stößel und der Hülse sowie dem Stößel und den Ringen ist hierbei von elementarer Bedeutung. Wie in Abbildung 1 zu erkennen besitzt der Stößel zwei Absätze, sodass der Durchmesser an den Enden des Stößels geringer ist. Durch die Kombination des unter-schiedlichen Durchmessers des Stößels und den eingesetzten Ringen entsteht eine Grenzfläche, die den geringsten Luft-spalt zwischen Stößel und den weiteren ferromagnetischen Komponenten aufweist. Diese Grenzfläche definiert letztend-lich die Anziehungskraft für den Reluktanzantrieb des Aktors. Die fotolithografische Herstellung der Membranen erfolg-te auf Basis des Fertigungsprinzips der Membranen des elektromagnetischen Mikroaktors basierend auf dem Balanced-Armature-Prinzip [4]. Hierfür wurden die Durchmesser des Rahmens und der Membran angepasst. Die ferromagneti-schen Bauteile wurden mittels spanender Bearbeitung in der institutseigenen Werkstatt gefertigt. Die Spulen wurden von der Firma HR Electronic hergestellt.
Zur Montage des Aktors wurden die verschiedenen Komponenten in die Hülse geführt. Mit Hilfe eines UV-Klebers wurden die untere Polscheibe und die Membranen fixiert. Der so zusammengebaute Reluktanzaktor ist in Abbildung 2 dargestellt. Mit Hilfe des Laser-Doppler-Vibrometers (OFV-552, Polytec) wurde sowohl die Steifigkeit der Membran sowie die maximale Auslenkung des Stößels untersucht. So ergibt sich durch eine Anregung zwischen 1 - 100 Hz mit einer sinusförmigen Spannung eine Federkonstante einer Membran von k = 1136,5 N/m. In vorherigen Simulationen wurden Werte von k = 500-1100 N/m identifiziert, um eine Auslenkung des Stößels im angestrebten Bereich zu generie-ren. Zur Evaluation der Auslenkung des Stößels wurde exemplarisch an die Spulen von fünf Reluktanzaktoren eine si-nusförmige Spannung angelegt. Es konnten Auslenkungen im unteren Nanometerbereich erzielt werden. Die Zielgröße der Auslenkung liegt jedoch bei 2-10 μm. Einflussfaktoren sind hierbei die großen Toleranzen bei der Fertigung der Bauteile, der Ansteuerung nur einer Spule während der Messung und der Montage der Membranen mit UV-Kleber, wel-cher beim Auftragen an die Membran gelangen kann und die Steifigkeit dieser erhöht.

Organisation(s)

Institute of Microtechnology
Quantum Technologies
PhoenixD: Photonics, Optics, and Engineering - Innovation Across Disciplines
Magnetic and Biomedical Applications

Type

Poster

Publication date

23.10.2023

Publication status

Accepted/In press